Rilevazione quantitativa SERS dell'acido urico attraverso la formazione di precise nanogiunzioni plasmoniche all'interno di aggregati di nanoparticelle d'oro e cucurbitacee
Summary
Un complesso ospite-ospite di cucurbitacea[7]uril e acido urico si è formato in una soluzione acquosa prima di aggiungere una piccola quantità nella soluzione Au NP per il rilevamento quantitativo della spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS) utilizzando uno spettrometro modulare.
Abstract
Questo lavoro descrive un metodo rapido e altamente sensibile per il rilevamento quantitativo di un importante biomarcatore, l’acido urico (UA), tramite spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS) con un basso limite di rilevamento di ~ 0,2 μM per più picchi caratteristici nella regione delle impronte digitali, utilizzando uno spettrometro modulare. Questo schema di biorilevamento è mediato dalla complessazione ospite-ospite tra un macrociclo, cucurbitacea[7]uril (CB7) e UA, e dalla successiva formazione di precise nanogiunzioni plasmoniche all’interno dei nanoaggregati Au NP: CB7 autoassemblati. È stata inoltre eseguita una facile sintesi Au NP di dimensioni desiderabili per substrati SERS basata sul classico approccio di riduzione del citrato con un’opzione da facilitare utilizzando un sintetizzatore automatizzato costruito in laboratorio. Questo protocollo può essere facilmente esteso al rilevamento multiplexato di biomarcatori nei fluidi corporei per applicazioni cliniche.
Introduction
L’acido urico, che è il prodotto finale del metabolismo dei nucleotidi purinici, è un importante biomarcatore nel siero del sangue e nelle urine per la diagnosi di malattie come gotta, preeclampsia, malattie renali, ipertensione, malattie cardiovascolari e diabete 1,2,3,4,5. Gli attuali metodi per il rilevamento dell’acido urico includono saggi enzimatici colorimetrici, cromatografia liquida ad alte prestazioni ed elettroforesi capillare, che richiedono tempo, denaro e richiedono una sofisticata preparazione del campione 6,7,8,9.
La spettroscopia Raman potenziata in superficie è una tecnica promettente per la diagnosi di routine del punto di cura in quanto consente il rilevamento selettivo delle biomolecole tramite le loro impronte digitali di vibrazione e offre numerosi vantaggi come alta sensibilità, risposta rapida, facilità d’uso e preparazione del campione nulla o minima. I substrati SERS a base di nanoparticelle di metalli nobili (ad esempio, Au NP) possono migliorare i segnali Raman delle molecole di analita da 4 a 10 ordini di grandezza10 attraverso un forte miglioramento elettromagnetico causato dalla risonanza plasmonica di superficie11. Au NP di dimensioni su misura possono essere facilmente sintetizzate rispetto alla fabbricazione dispendiosa in termini di tempo di nanocompositi metallici complessi12, e quindi sono ampiamente utilizzate in applicazioni biomediche grazie alle loro proprietà superiori 13,14,15,16. L’attaccamento di molecole macrocicliche, cucurbitacee [n]urils (CBn, dove n = 5-8, 10), sulla superficie di Au NP può migliorare ulteriormente i segnali SERS delle molecole analitiche in quanto le molecole CB altamente simmetriche e rigide possono controllare la spaziatura precisa tra le NP Au e localizzare le molecole analitiche al centro o in prossimità degli hotspot plasmonici attraverso la formazione di complessi ospite-ospite (Figura 1)17, 18,19,20. Esempi precedenti di studi SERS che utilizzano Au NP: CBn nanoaggregati includono nitroesplosivi, policiclici aromatici, diaminostilbene, neurotrasmettitori e creatinina 21,22,23,24,25, con le misurazioni SERS eseguite in una cuvetta o caricando una piccola goccia su un portacampioni su misura. Questo schema di rilevamento è particolarmente utile per quantificare rapidamente i biomarcatori in una matrice complessa con un’elevata riproducibilità.
Qui, un metodo facile per formare complessi ospite-ospite di CB7 e un importante biomarcatore UA e per quantificare UA con un limite di rilevamento di 0,2 μM tramite aggregazioni mediate da CB7 di Au NP in mezzi acquosi è stato dimostrato utilizzando uno spettrometro modulare, che è promettente per applicazioni diagnostiche e cliniche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo di sintesi automatizzato descritto nel protocollo consente di sintetizzare in modo riproducibile Au NP di dimensioni crescenti. Sebbene ci siano alcuni elementi che devono ancora essere eseguiti manualmente, come l’aggiunta rapida di citrato di sodio durante la sintesi del seme e il controllo periodico per garantire che il tubo in PEEK sia sicuro, questo metodo consente Au NP di grandi dimensioni (fino a 40 nm), che di solito richiederebbero più iniezioni manuali di HAuCl4 e citrato di sodio, da si…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TCL è grata al sostegno del Royal Society Research Grant 2016 R1 (RG150551) e dell’UCL BEAMS Future Leader Award finanziato attraverso il premio Institutional Sponsorship dall’EPSRC (EP/P511262/1). WIKC, TCL e IPP sono grati alla Studentship finanziata dal programma di attaccamento alla ricerca A * STAR-UCL attraverso l’EPSRC M3S CDT (EP / L015862 / 1). GD e TJ desiderano ringraziare l’EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1) per aver sponsorizzato il loro studentato. TJ e TCL riconoscono Camtech Innovations per il contributo alla studentship di TJ. Tutti gli autori sono grati all’UCL Open Access Fund.
Materials
| 40 nm gold nanoparticles | NanoComposix | AUCN40-100M | NanoXact, 0.05 mg/ mL, bare (citrate) |
| Centrifuge tube | Corning Falcon | 14-432-22 | 50 mL volume |
| Cucurbit[7]uril | Lab-made | see ref. 19 | |
| Gold(III) chloride trihydrate | Sigma aldrich | 520918 | ≥99.9% trace metals basis |
| Luer lock disposable syringe | Cole-Parmer | WZ-07945-15 | 3 mL volume |
| Luer-to-MicroTight adapter | LuerTight | P-662 | 360 μm outer diameter Tubing to Luer Syringe |
| PEEK tubing | IDEX | 1572 | 360 μm outer diameter, 150 μm inner diameter |
| PEEK tubing cutter | IDEX | WZ-02013-30 | Capillary Polymer Chromatography Tubing Cutter For 360 µm to 1/32" OD tubing |
| Raman spectrometer | Ocean Optics | QE pro | |
| Sodium citrate tribasic dihydrate | Sigma aldrich | S4641 | ACS reagent, ≥99.0% |
| Sonicator | |||
| Standard Probe | Digi-Sense | WZ-08516-55 | Type-K |
| Syringe pump | Aladdin | ALADDIN2-220 | 2 syringes, maximum syringe volume 60 mL |
| Thermocouple thermometer | Digi-Sense | WZ-20250-91 | Single-Input Thermocouple Thermometer with NIST-Traceable Calibration |
| ThermoMixer | Eppendorf | 5382000031 | With an Eppendorf SmartBlock for 50 mL tubes |
| Uric acid | Sigma aldrich | U2625 | ≥99%, crystalline |
References
- Villa, J. E. L., Poppi, R. J. A portable SERS method for the determination of uric acid using a paper-based substrate and multivariate curve resolution. Analyst. 141 (6), 1966-1972 (2016).
- Westley, C., et al. Absolute Quantification of Uric Acid in Human Urine Using Surface Enhanced Raman Scattering with the Standard Addition Method. Analytical Chemistry. 89 (4), 2472-2477 (2017).
- Zhao, L., Blackburn, J., Brosseau, C. L. Quantitative Detection of Uric Acid by Electrochemical-Surface Enhanced Raman Spectroscopy Using a Multilayered Au/Ag Substrate. Analytical Chemistry. 87 (1), 441-447 (2015).
- Goodall, B. L., Robinson, A. M., Brosseau, C. L. Electrochemical-surface enhanced Raman spectroscopy (E-SERS) of uric acid: a potential rapid diagnostic method for early preeclampsia detection. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (5), 1382-1388 (2013).
- Lytvyn, Y., Perkins, B. A., Cherney, D. Z. I. Uric Acid as a Biomarker and a Therapeutic Target in Diabetes. Canadian Journal of Diabetes. 39 (3), 239-246 (2015).
- Ali, S. M. U., Ibupoto, Z. H., Kashif, M., Hashim, U., Willander, M. A Potentiometric Indirect Uric Acid Sensor Based on ZnO Nanoflakes and Immobilized Uricase. Sensors. 12 (3), 2787-2797 (2012).
- Yu, J., Wang, S., Ge, L., Ge, S. A novel chemiluminescence paper microfluidic biosensor based on enzymatic reaction for uric acid determination. Biosensors and Bioelectronics. 26 (7), 3284-3289 (2011).
- Yang, Y. D. Simultaneous determination of creatine, uric acid, creatinine and hippuric acid in urine by high performance liquid chromatography. Biomedical Chromatography. 12 (2), 47-49 (1999).
- Zhao, S., Wang, J., Ye, F., Liu, Y. M. Determination of uric acid in human urine and serum by capillary electrophoresis with chemiluminescence detection. Analytical Biochemistry. 378 (2), 127-131 (2008).
- Fang, Y., Seong, N. H., Dlott, D. D. Measurement of the Distribution of Site Enhancements in Surface-Enhanced Raman Scattering. Science. 321 (5887), 388-392 (2008).
- Jeong, H. H., et al. Dispersion and shape engineered plasmonic nanosensors. Nature Communications. 7, 11331 (2016).
- Alula, M. T., et al. Preparation of silver nanoparticles coated ZnO/Fe3O4 composites using chemical reduction method for sensitive detection of uric acid via surface-enhanced Raman spectroscopy. Analytica Chimica Acta. 1073, 62-71 (2019).
- Bastús, N. G., Comenge, J., Puntes, V. Kinetically Controlled Seeded Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm: Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir. 27 (17), 11098-11105 (2011).
- Jeong, H. H., et al. Selectable Nanopattern Arrays for Nanolithographic Imprint and Etch-Mask Applications. Advanced Science. 2 (7), 1500016 (2016).
- Loh, X. J., Lee, T. C., Dou, Q., Deen, G. R. Utilising inorganic nanocarriers for gene delivery. Biomaterials Science. 4 (1), 70-86 (2016).
- Celiz, A. D., Lee, T. C., Scherman, O. A. Polymer-Mediated Dispersion of Gold Nanoparticles: Using Supramolecular Moieties on the Periphery. Advanced Materials. 21 (38), 3937-3940 (2009).
- Lee, T. C., Scherman, O. A. Formation of Dynamic Aggregates in Water by Cucurbit[5]uril Capped with Gold Nanoparticles. ChemComm. 46 (14), 2438-2440 (2010).
- Lee, T. C., Scherman, O. A. A Facile Synthesis of Dynamic Supramolecular Aggregates of Cucurbit[n]uril (n = 5-8) Capped with Gold Nanoparticles in Aqueous Media. Chemistry-A European Journal. 18 (6), 1628-1633 (2012).
- Taylor, R. W., et al. Precise Subnanometer Plasmonic Junctions for SERS within Gold Nano- particle Assemblies Using Cucurbit[n]uril “Glue”. ACS Nano. 5 (5), 3878-3887 (2011).
- Peveler, W. J., et al. Cucurbituril-mediated quantum dot aggregates formed by aqueous self-assembly for sensing applications. ChemComm. 55 (38), 5495-5498 (2019).
- Chio, W. I. K., et al. Selective Detection of Nitroexplosives Using Molecular Recognition within Self-Assembled Plasmonic Nanojunctions. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (25), 15769-15776 (2019).
- Kasera, S., Biedermann, F., Baumberg, J. J., Scherman, O. A., Mahajan, S. Quantitative SERS Using the Sequestration of Small Molecules Inside Precise Plasmonic Nanoconstructs. Nano Letters. 12 (11), 5924-5928 (2012).
- Taylor, R. W., et al. In Situ SERS Monitoring of Photochemistry within a Nanojunction Reactor. Nano Letters. 13 (12), 5985-5990 (2013).
- Kasera, S., Herrmann, L. O., Barrio, J. d., Baumberg, J. J., Scherman, O. A. Quantitative Multiplexing with Nano-Self-Assemblies in SERS. Scientific Reports. 4, 6785 (2014).
- Chio, W. I. K., et al. Dual-triggered nanoaggregates of cucurbit[7]uril and gold nanoparticles for multi-spectroscopic quantification of creatinine in urinalysis. Journal of Materials Chemistry C. 8, 7051-7058 (2020).
- Turkevich, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discussions of the Faraday Society. 11, 55-75 (1951).
- Lagona, J., Mukhopadhyay, P., Chakrabarti, S., Issacs, L. The cucurbit[n]uril family. Angewandte Chemie International Edition. 44 (31), 4844-4870 (2005).
- . OceanView Installation and Operation Manual Available from: https://www.oceaninsight.com/globalassets/catalog-blocks-and-images/manuals–instruction-old-logo/software/oceanviewio.pdf (2013)
- Mahajan, S., et al. Raman and SERS spectroscopy of cucurbit[n]urils. Physical Chemistry Chemical Physics. 12 (35), 10429-10433 (2010).
- Langer, J., et al. Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering. ACS Nano. 14 (1), 28-117 (2020).
- Pilot, R., et al. A Review on Surface-Enhanced Raman Scattering. Biosensors. 9 (2), 57 (2019).
- Bantz, K. C., et al. Recent progress in SERS biosensing. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (24), 11551-11567 (2011).
- Moore, T. J., et al. In Vitro and In Vivo SERS Biosensing for Disease Diagnosis. Biosensors. 8 (2), 46 (2018).
- Bonifacio, A., Cervo, S., Sergo, V. Label-free surface-enhanced Raman spectroscopy of biofluids: fundamental aspects and diagnostic applications. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407 (27), 8265-8277 (2015).
- Jeong, H. H., Choi, E., Ellis, E., Lee, T. C. Recent advances in gold nanoparticles for biomedical applications: from hybrid structures to multi-functionality. Journal of Materials Chemistry B. 7 (22), 3480-3496 (2019).
- Premasiri, W. R., Clarke, R. H., Womble, M. E. Urine Analysis by Laser Raman Spectroscopy. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (4), 330-334 (2001).
- Lu, Y., et al. Superhydrophobic silver film as a SERS substrate for the detection of uric acid and creatinine. Biomedical Optics Express. 9 (10), 4988-4997 (2018).
- Feig, D. I., et al. Serum Uric Acid: A Risk Factor and a Target for Treatment. Journal of the American Society of Nephrology. 17 (4), 69-73 (2006).
- Maiuolo, J., Oppedisano, F., Gratteri, S., Muscoli, C., Mollace, V. Regulation of uric acid metabolism and excretion. International Journal of Cardiology. 213, 8-14 (2016).
